BZ振荡法对几种有机酸含量测定的研究

于 敏，王传岭，张嘉娴

(嘉应学院 医学院，广东 梅州 514031)

化学振荡系统是一种典型的非线性非平衡系统，其特点是体系中的反应物、中间体或产物随时间呈现周期性变化[1]，对化学振荡系统的研究，可以加深人们对生命体变化特点的认识[2]，也可以应用在在分析检测中作为一种新的检测手段和方法[3-4]。最早的化学振荡体系是1958年苏联化学家Belousov和Zhabotinskii报道的一个后来被称为BZ振荡体系的反应体系[5]，该体系以铈离子为催化剂，发现柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化时可呈现化学振荡现象。后来，科学家们发现，凡是电极电势在1.00～1.51V之间的金属或络离子，都可以作为该体系的催化剂，具有活泼亚甲基的多氧有机化合物都可以取代柠檬酸作为有机底物[6]。对该反应体系的机理的研究也一直进行着，其中，比较经典的机理是Field,Koros和Noyes的FKN模型[7]，以丙二酸为底物时，该模型的总反应为：

该模型包括20个基元反应，且Br-和HBrO2是其中两个关键组分。其反应机理中主要反应有：

(1)

(2)

BrCH(COOH)2+4Ce4++HOBr+H2O→2Br-+3CO2↑+4Ce3++6H+

(3)

研究该机理发现，一些外来物质的加入会对振荡反应的周期、振幅等产生影响，因此，可以利用它来进行分析检测。许多学者探讨了不同底物、不同催化剂条件构造的BZ反应体系对于一些特定物质的检测具有较好的灵敏度和选择性[8-9]，但尚未发现有学者研究改变酸性介质并用于分析检测中。本论文在经典的BZ振荡体系中以硫酸-磷酸混酸取代硫酸，并利用该体系测定几种常见有机酸的含量，取得了较好的结果。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

BZOAS-ⅡS型 BZ 振荡反应实验系统 (南京南大万和科技有限公司)，CS-501型超级恒温水浴(上海实验仪器厂)，MING-CHE型超纯水机(法国 Merck Millipore)硫酸、溴酸钾、没食子酸、硫酸铈铵、磷酸、酒石酸、丙二酸、甘氨酸等均为分析纯，实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

于30℃下，恒定磁力搅拌器转速，以甘汞电极和铂电极分别作为参比电极和工作电极，向反应器中依次加入丙二酸、溴酸钾、混酸10mL，混合均匀后，加入硫酸铈铵10mL，其中，丙二酸的浓度为0.9mol/L,溴酸钾的浓度为0.5mol/L，混酸为3mol/L的硫酸、磷酸按照体积比为6∶4混合得到，硫酸铈铵浓度为0.008mol/L，混合的同时利用电脑记录振荡曲线，当系统进入规则振荡后，在振荡电势到达最低点时，用微量注射器分别加入1mL不同浓度的没食子酸、酒石酸和甘氨酸溶液，记录振荡曲线。

2 结果与讨论

2.1 没食子酸

2.1.1 没食子酸对BZ振荡反应的影响

图1和图2分别为没食子酸不同体系的振荡曲线，可以看出，加入磷酸后，整个振荡曲线周期延长，最高和最低电位都明显下降，这是由于BZ振荡反应中氢离子是重要的反应物和中间体，磷酸酸性较弱，降低了氢离子浓度，导致反应速率降低，周期延长；磷酸会与铈离子发生沉淀反应和一定的络合作用，会导致振幅减小，电位下降，与此同时，还发现，磷酸的加入使得B-Z振荡体系对没食子酸更加敏感。当没食子酸的浓度在0.125～1 mg/mL范围内时，没食子酸浓度的负对数(-logC)与其体系振荡周期的改变量△T有着精良的线性关系，图3为△T与没食子酸浓度之间的关系，其线性回归方程为Y=2.0317X+1.7634,R2=0.9428。

图1 硫酸-磷酸混酸条件下没食子酸对BZ振荡体系的影响

图2 硫酸条件下没食子酸对振荡体系的影响

图3 △T与没食子酸浓度的负对数的线性关系

2.1.2 没食子酸对 B-Z 振荡反应的可能扰动机理

没食子酸，即：3，4，5-三羟基苯甲酸，结构中有三个酚羟基和一个羧基，此结构可能对振荡体系产生如下影响：

首先，没食子酸的酚羟基具有还原性，能够与反应体系中的氧化性物质如溴酸钾、Ce(IV)等发生氧化还原反应，当其与Ce(IV)反应时，会降低Ce4+/Ce3+电对的电极电势，使振荡反应振幅发生变化；其次，没食子酸的酚羟基和羧基具有较强配位能力，可能会与Ce4+和Ce3+发生不同程度的配位作用，从而改变电极电势，影响振荡反应，由于此过程可能会发生与磷酸根的竞争络合过程，因此磷酸条件下影响更大；最后，受到没食子酸的酚羟基影响，苯环活性增加，极易与溶液中的中间体Br2发生亲电取代反应，从而影响Br2的累积，使得反应周期增加。

2.2 酒石酸

2.2.1 酒石酸对BZ振荡反应的影响

酒石酸加入经典的B-Z振荡系后振荡图形没有明显的变化；图4为酒石酸的磷酸介入后的B-Z振荡体系振荡图形，振荡参数在加样的那个周期没有明显的变动，但加样后的下一个周期开始振荡周期变大且波峰的最高电势降低。经实验发现，当酒石酸的浓度在0.03125～0.25 mg/mL范围内时，酒石酸浓度的负对数(-logC)与其体系振荡周期的改变量△T有着良好的线性关系，图5是T与酒石酸浓度之间的关系，其线性回归方程为Y=-4.2896X+8.1726,R2=0.9283。

图4 硫酸-磷酸混酸条件下酒石酸对BZ振荡体系的影响

图5 △T与酒石酸浓度的负对数的线性关系

2.2.2 酒石酸对 B-Z 振荡反应的可能扰动机理

酒石酸，即2,3-二羟基丁二酸，是重要的助剂和还原剂之一，由于酒石酸具有α氢，因此它也可以作为有机底物被溴酸钾氧化，但是由于本身反应体系中有机底物浓度较高，因此，额外加入的有机底物酒石酸对振荡反应的影响基本可以忽略，故一般振荡体系下酒石酸的加入对振荡反应没有影响，但是，在磷酸环境中，酸性条件变化导致反应速率整体降低，酒石酸与丙二酸不同的反应速率差别被放大，此时，酒石酸的加入对周期的影响变得明显，除此之外，酒石酸与金属离子的络合导致振幅发生变化，根据实验结果，猜测酒石酸更加容易与Ce3+络合，导致振荡高点降低。

2.3 甘氨酸

2.3.1 甘氨酸对BZ振荡反应的影响

图6 硫酸-磷酸混酸条件下甘氨酸对BZ振荡体系的影响

甘氨酸加入经典的B-Z振荡体系后振荡图形未产生任何显著的变化；磷酸的介入使B-Z振荡体系对甘氨酸的加入敏感，从图6可以知道加样的那个周期无变化，但加样后的一个周期开始振荡周期变大且最高电势降低。实验发现当甘氨酸的浓度在0.03125～0.25 mg/mL范围内时，甘氨酸浓度的负对数(-logC)与其体系振荡周期的改变值△T有着良好的线性关系，图7是△T与甘氨酸浓度之间的关系，其线性回归方程为Y=-2.7226X+4.0408，R2=0.9285。

图7 △T与甘氨酸浓度的负对数的线性关系

2.3.2 甘氨酸影响 B-Z 振荡反应的可能机理

甘氨酸是一种非必需氨基酸。据研究发现，除酪氨酸外，大多数氨基酸都不能发生溴代反应，这导致甘氨酸尽管有α氢，但不能像上述几种物质一样通过溴代反应影响BZ振荡反应，但是，在酸性条件下，氨基结合氢离子带正电会与Br2产生静电吸引力进而在氨基上发生溴代反应成盐，产生一定量的Br-，根据FKN机理,只有当Br-浓度降低到一定程度才会发生由(1)过程到(2)过程的转换，可知该反应会延长A到B过程所需时间，进而增加反应周期。甘氨酸是最简单的氨基酸，可反应基团少，对反应的影响也小，因此在以硫酸为媒介的体系中，基本没有变化，但磷酸环境下反应速率降低，甘氨酸的影响不可忽略，故能够观察到周期延长的现象。

3 结论

本文利用磷酸-硫酸混合酸替换经典B-Z振荡体系中的纯硫酸介质，形成新的振荡体系。优化检测体系以后考察没食子酸、酒石酸和甘氨酸对新的B-Z振荡体系的扰动行为，得出以下结论：没食子酸、酒石酸和甘氨酸的浓度的负对数与振荡周期变化量分别在0.125～1 mg/mL、0.03125～0.25 mg/mL和0.03125～0.25 mg/mL范围内有着良好的线性关系。